控制工程基础
控制工程基础教案
控制工程基础教案第一节：引言控制工程是一门综合性学科，它涉及到了自动化、电子技术、信息处理以及数学等多个领域。
掌握控制工程的基础知识对于学生们在日后的学习和工作中都非常重要。
本教案将介绍控制工程基础的相关知识，并提供相应的教学方法和案例分析，帮助学生理解并掌握这一学科的核心内容。
第二节：教学目标通过本教案的学习，学生应该能够：1.了解控制工程的基本概念和原理；2.理解控制系统的组成和分类；3.掌握传统控制方法和现代控制方法的基本原理；4.能够应用所学知识解决实际问题。
第三节：教学内容本教案的教学内容主要包括以下几个方面：1.控制工程的基本概念1.1 控制工程的定义1.2 控制工程的基本原理2.控制系统的组成和分类2.1 控制系统的基本组成2.2 控制系统的分类3.传统控制方法3.1 PID控制器的原理和应用3.2 根轨迹法和频率法4.现代控制方法4.1 状态空间方法4.2 最优控制理论5.实际案例分析5.1 温度控制系统实例分析5.2 机器人运动控制系统实例分析第四节：教学方法在教学过程中，我们将采用多种教学方法来帮助学生更好地理解和掌握控制工程基础知识。
具体的教学方法包括：1.示例讲解：通过具体实例来解释相关概念和原理，使学生能够更加直观地理解。
2.案例分析：引入实际案例，并结合所学知识进行分析，让学生能够应用所学知识解决实际问题。
3.小组讨论：将学生分成小组，进行小组讨论和合作学习，培养学生的团队合作和解决问题的能力。
第五节：教学评估为了检验学生对于控制工程基础知识的理解和掌握程度，我们将进行以下几种教学评估方式：1.课堂测验：通过课堂测验来检验学生对于概念和原理的理解。
2.作业和实践：布置相关作业和实践项目，帮助学生运用所学知识解决实际问题。
3.小组展示：要求学生以小组为单位进行一定的研究和整理，并进行展示。
评价其团队合作和表达能力。
第六节：教学资源为了支持教学活动的开展，我们将准备以下教学资源：1.课件和讲义：为学生提供清晰明了的学习资料。
控制工程基础实验报告
控制工程基础实验报告控制工程基础实验报告引言：控制工程是一门涉及自动化、电子、计算机等多个学科的交叉学科，其实验是培养学生动手能力和实践能力的重要环节。
本篇文章将以控制工程基础实验为主题，探讨实验的目的、过程和结果等方面。
实验目的：控制工程基础实验的目的是让学生通过实践了解控制系统的基本原理和方法，培养其分析和解决问题的能力。
通过实验，学生可以掌握闭环控制系统的设计与调试技巧，加深对控制理论的理解。
实验内容：本次实验的内容是设计一个简单的温度控制系统。
系统由温度传感器、控制器和加热器组成。
温度传感器采集环境温度，控制器根据设定的温度值来控制加热器的工作状态，以维持温度在设定值附近。
实验步骤：1. 搭建实验平台：将温度传感器、控制器和加热器按照实验要求连接起来，确保电路正常工作。
2. 设计控制算法：根据控制系统的要求，设计合适的控制算法。
可以采用比例控制、积分控制或者PID控制等方法。
3. 参数调试：根据实验平台和控制算法的特点，调试控制器的参数，使系统能够快速、稳定地响应设定值的变化。
4. 实验数据采集：通过实验平台上的数据采集器，记录系统的输入和输出数据，以便后续分析和评估。
实验结果：经过实验，我们得到了一组温度控制系统的数据。
通过对这些数据的分析，我们可以评估系统的控制性能和稳定性。
在实验中，我们使用PID控制算法，经过参数调试，得到了较好的控制效果。
系统能够在设定值附近稳定工作，并且对设定值的变化能够快速响应。
实验总结：通过这次实验，我们深入了解了控制工程的基本原理和方法。
实践中遇到的问题和挑战，锻炼了我们的动手能力和解决问题的能力。
实验结果表明，合适的控制算法和参数调试是实现良好控制效果的关键。
控制工程实验的重要性不言而喻，它不仅是理论学习的延伸，更是培养学生实践能力的重要途径。
结语：控制工程基础实验是掌握控制工程理论和方法的重要环节。
通过实践，学生能够更好地理解和应用所学知识，提高解决实际问题的能力。
控制工程基础理论与概念解析
控制工程基础理论与概念解析控制工程是一门应用科学，旨在通过设计和实施系统来影响系统的行为。
它涉及模型建立、系统识别以及控制系统的设计与实现。
本文将针对控制工程的基础理论和概念进行深入解析。
一、控制工程的基本概念1.1 控制系统控制系统是一个将输入转换为所需输出的组合，用于对某个过程、设备或系统进行控制的集成系统。
它由传感器、执行器以及控制器组成。
传感器用于采集实时的信息，而执行器则用于实现控制输出。
1.2 反馈控制反馈控制是一种常见的控制方法，通过不断对输出进行测量，并将测量结果与期望输出进行比较，从而调整控制器的输出。
这种反馈机制可以使系统对不确定性和扰动具有一定的鲁棒性。
1.3 系统建模与识别系统建模与识别是控制工程的关键环节。
它涉及将实际系统抽象为数学模型，以便进行系统分析和控制设计。
常用的建模方法包括物理建模、黑箱模型以及灰箱模型等。
1.4 控制器设计控制器设计是控制工程的核心任务之一。
它的目标是通过调整控制器的参数和结构，实现系统稳定性、动态响应和鲁棒性等性能指标的要求。
常见的控制器设计方法包括比例积分微分控制器（PID控制器）、模型预测控制（MPC）以及适应性控制等。
二、控制工程的核心理论2.1 线性控制理论线性控制理论是控制工程中最常用和基础的理论之一。
它基于线性系统理论，通过对线性系统的数学模型进行分析，实现对系统行为的控制。
线性控制理论包括稳定性分析、稳态误差分析、频域分析以及根轨迹法等。
2.2 非线性控制理论非线性控制理论是对非线性系统进行建模和控制的理论体系。
由于现实系统往往具有非线性特性，所以非线性控制理论对于解决实际问题具有重要意义。
非线性控制理论包括滑模控制、自适应控制以及神经网络控制等。
2.3 最优控制理论最优控制理论是控制工程中的一种高级控制理论，它的目标是通过优化控制策略，实现系统性能指标的最优化。
最优控制理论包括最优控制问题的建模、极大极小原理以及最优控制算法等。
控制工程基础总复习
控制工程基础总复习1. 前言控制工程是现代工程领域中的一个重要学科，它主要研究如何设计、分析和实现控制系统，以使得被控对象按照既定的要求运行。
本文将对控制工程的基础知识进行总复习，包括控制系统的基本要素、常见的控制器类型以及常用的控制策略等内容。
2. 控制系统基本要素控制系统通常由四个基本要素组成，分别是被控对象、控制器、传感器和执行器。
2.1 被控对象被控对象是控制系统中需要控制的目标对象，它可以是物理实体，也可以是一个数学模型。
被控对象会对控制输入产生相应的输出响应。
2.2 控制器控制器是控制系统中的核心组成部分，它接收被控对象的输出信号和期望的控制信号，根据预定的控制策略生成控制指令，并将其发送给执行器。
2.3 传感器传感器用于检测被控对象的输出信号，并将其转换成电信号或数字信号。
传感器的准确性和响应速度对于控制系统的性能起着重要的影响。
2.4 执行器执行器接收来自控制器的控制指令，并将其转化为动作，改变被控对象的状态。
执行器可以是电动机、阀门等。
控制器根据其工作原理和结构可以分为多种类型，例如比例控制器、积分控制器和微分控制器。
3.1 比例控制器比例控制器通过根据被控对象的输出信号和期望的控制信号的偏差来生成一个与偏差成正比的控制指令。
比例控制器的特点是简单、易于实现，但在一些情况下可能导致系统的稳定性差。
3.2 积分控制器积分控制器不仅考虑偏差，还考虑偏差随时间的累积。
积分控制器可以消除系统稳态误差，提高系统的稳定性。
然而，积分控制器对于快速变化的被控对象可能会引起过调的问题。
微分控制器根据被控对象的输出信号和期望的控制信号的变化率来生成控制指令。
微分控制器可以改善系统的动态响应和稳定性，但对于被控对象输出信号的噪声和干扰敏感。
3.4 PID控制器PID控制器是一种综合了比例、积分和微分控制器的控制器。
PID 控制器通过调整比例、积分和微分系数来达到最优的控制效果。
PID 控制器是控制工程中最常用和最经典的控制器之一。
控制工程基础应掌握的重要知识点
控制工程基础应掌握的重要知识点控制工程是一门研究控制系统及其应用的理论和方法的学科。
其核心任务是通过对被控对象以及环境的监测和测量，对系统进行控制和调节，以达到预期的控制效果。
以下是控制工程基础中应掌握的重要知识点：1.连续系统与离散系统：控制系统可以分为连续系统和离散系统。
连续系统是指系统变量是连续变化的，通常使用微分方程描述。
离散系统是指系统变量是离散变化的，通常使用差分方程描述。
掌握连续系统与离散系统的建模与分析方法是控制工程的基础。
2.传递函数与状态空间模型：传递函数描述了系统输入与输出之间的关系，是一个复频域函数。
状态空间模型则是通过描述系统的状态量对时间的导数来建模。
掌握传递函数的提取与描述以及状态空间模型的建立与分析方法是进行系统分析与控制设计的基础。
3.控制系统的基本性能指标：控制系统的基本性能指标包括稳定性、快速性、精确性和抗干扰性。
稳定性是系统在受到干扰或参数变化时保持状态有界的能力；快速性是系统输出快速收敛到期望值的能力；精确性是系统输出与期望值之间的偏差大小；抗干扰性是系统对干扰的敏感性。
掌握这些性能指标的衡量方法是控制系统设计的基础。
4.反馈控制原理：反馈控制是一种常用的控制方式，通过对系统输出进行测量并与期望输出进行比较，根据差值来修正输入以调节系统行为。
掌握反馈控制的原理，包括比例控制、积分控制和微分控制的组合应用是进行控制系统设计和分析的关键。
5.PID控制器：PID控制器是一种基于比例、积分和微分操作的控制器。
它能够通过调整三个参数来适应不同的系统需要，并具有较好的稳定性和快速性能。
掌握PID控制器的设计和调节方法是控制工程的重要内容。
6.控制系统的稳定性分析与设计：稳定性是控制系统的基本要求。
控制系统的稳定性分析包括对开环传递函数的极点位置、稳定裕量、相角裕量等指标的评估。
稳定性设计则是通过修改系统参数或者设计合适的控制器来保证系统的稳定性。
掌握稳定性分析与设计的方法是进行控制系统设计的重要基础。
《控制工程基础》电子教案
《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍了解控制工程的概念、内容和研究方法理解控制工程在工程实践中的应用和重要性1.2 控制系统的基本概念定义系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统1.3 控制工程的目标掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性学习控制系统的设计方法和步骤第二章：数学基础2.1 线性代数基础掌握向量、矩阵和行列式的基本运算学习线性方程组和特征值、特征向量的求解方法2.2 微积分基础复习极限、连续性和微分、积分的基本概念和方法应用微积分解决实际问题2.3 复数基础了解复数的概念、代数表示法和几何表示法学习复数的运算规则和复数函数的性质第三章：控制系统分析3.1 传递函数定义传递函数的概念和性质学习传递函数的绘制和解析方法3.2 频率响应分析理解频率响应的概念和特点应用频率响应分析方法评估系统的性能3.3 根轨迹分析掌握根轨迹的概念和绘制方法分析根轨迹对系统稳定性的影响第四章：控制系统设计4.1 控制器设计方法学习PID控制器的设计原理和方法了解模糊控制器和神经网络控制器的设计方法4.2 控制器参数调整掌握控制器参数调整的目标和方法应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整4.3 系统校正和优化理解系统校正的概念和目的学习常用校正方法和优化技术第五章：现代控制理论5.1 状态空间描述了解状态空间的概念和表示方法学习状态空间方程的求解和状态反馈控制5.2 状态估计和最优控制掌握状态估计的概念和方法学习最优控制的目标和求解方法5.3 鲁棒控制和自适应控制理解鲁棒控制的概念和特点了解自适应控制的设计方法和应用场景第六章：线性系统的稳定性分析6.1 稳定性的定义和性质理解系统稳定性的概念和重要性学习稳定性分析的基本方法6.2 劳斯-赫尔维茨准则掌握劳斯-赫尔维茨准则的原理和应用应用劳斯-赫尔维茨准则判断系统的稳定性6.3 李雅普诺夫方法了解李雅普诺夫方法的原理和分类学习李雅普诺夫第一和第二方法判断系统的稳定性第七章：线性系统的控制器设计7.1 控制器设计概述理解控制器设计的目标和重要性学习控制器设计的基本方法7.2 PID控制器设计掌握PID控制器的设计原理和方法应用PID控制器进行系统控制7.3 状态反馈控制器设计了解状态反馈控制器的设计原理和方法学习状态反馈控制器的设计和应用第八章：非线性控制系统分析8.1 非线性系统概述理解非线性系统的概念和特点学习非线性系统分析的基本方法8.2 非线性系统的描述方法学习非线性系统的数学模型和描述方法应用非线性系统分析方法研究系统的性质8.3 非线性控制系统的应用了解非线性控制系统在工程实践中的应用学习非线性控制系统的设计和优化方法第九章：鲁棒控制理论9.1 鲁棒控制概述理解鲁棒控制的概念和重要性学习鲁棒控制的基本方法9.2 鲁棒控制设计方法掌握鲁棒控制设计的原则和方法应用鲁棒控制设计方法设计控制器9.3 鲁棒控制在控制系统中的应用了解鲁棒控制在实际控制系统中的应用学习鲁棒控制在控制系统中的设计和优化方法第十章：控制系统仿真与实验10.1 控制系统仿真概述理解控制系统仿真的概念和重要性学习控制系统仿真的基本方法10.2 MATLAB控制系统仿真掌握MATLAB控制系统仿真工具的使用应用MATLAB进行控制系统仿真和分析10.3 控制系统实验了解控制系统实验的目的和重要性学习控制系统实验的方法和技巧重点和难点解析重点环节1：控制系统的基本概念和特性控制系统的基本概念，包括系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性重点环节2：传递函数和频率响应分析传递函数的概念和性质，传递函数的绘制和解析方法频率响应的概念和特点，频率响应分析方法分析根轨迹对系统稳定性的影响重点环节3：控制器设计方法和参数调整控制器设计方法，包括PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器的设计原理和方法控制器参数调整的目标和方法，应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整重点环节4：状态空间描述和最优控制状态空间的概念和表示方法，状态空间方程的求解和状态反馈控制状态估计和最优控制的目标和求解方法重点环节5：非线性控制系统分析和鲁棒控制理论非线性系统的概念和特点，非线性系统分析的基本方法鲁棒控制的概念和重要性，鲁棒控制的基本方法重点环节6：控制系统仿真与实验控制系统仿真的概念和重要性，控制系统仿真的基本方法MATLAB控制系统仿真工具的使用，应用MATLAB进行控制系统仿真和分析控制系统实验的目的和重要性，控制系统实验的方法和技巧全文总结和概括：本教案涵盖了控制工程基础的十个章节，主要包括控制系统的基本概念和特性、传递函数和频率响应分析、控制器设计方法和参数调整、状态空间描述和最优控制、非线性控制系统分析和鲁棒控制理论以及控制系统仿真与实验。
控制工程基础与测试技术
控制工程基础与测试技术1. 引言控制工程是一门涉及到系统建模、系统分析、控制设计和控制系统实现的学科。
在现代工业自动化与智能化的背景下，控制工程变得越来越重要。
本文将介绍控制工程的基础知识和与之相关的测试技术。
2. 控制工程基础2.1 系统建模在控制工程中，系统建模是一个重要的步骤。
系统建模是将实际系统抽象为数学模型的过程，以便对其进行分析和控制设计。
常用的系统建模方法包括：•传递函数法：将系统表示为输入和输出之间的传递函数关系。
•状态空间法：将系统表示为状态变量之间的微分方程组。
本文将重点介绍传递函数法和状态空间法，并提供相应的示例。
2.2 系统分析系统分析是对已经建模的系统进行性能评估和稳定性分析的过程。
常用的系统分析方法包括：•频域分析：通过对系统的频率响应进行分析，得到系统的频率特性。
•时域分析：通过对系统的时域响应进行分析，得到系统的时间特性。
•根轨迹分析：通过绘制系统的根轨迹图，得到系统的稳定性信息。
本文将介绍频域分析和根轨迹分析，并提供相应的案例说明。
2.3 控制设计控制设计是根据系统的要求和性能指标设计满足要求的控制器的过程。
常用的控制设计方法包括：•PID控制器设计：根据系统的数学模型，设计比例、积分和微分三个环节的控制器参数。
•现代控制理论：应用现代控制理论，如状态反馈、最优控制等，设计高性能的控制器。
本文将简要介绍PID控制器设计和现代控制理论，并提供相应的实例分析。
3. 控制工程测试技术3.1 系统响应测试系统响应测试是用于对控制系统进行性能评估的一种方法。
常用的系统响应测试技术包括：•阶跃响应测试：对系统施加一个单位阶跃输入信号，观察系统的响应。
•正弦扫频响应测试：对系统施加一段频率从低到高变化的正弦输入信号，观察系统的频率响应。
本文将详细介绍阶跃响应测试和正弦扫频响应测试，并提供实际案例进行分析。
3.2 控制器调试测试控制器调试测试是用于对设计好的控制器进行性能测试和参数调优的一种方法。
控制工程基础(主编_彭珍瑞_董海棠)课件(精)
第一章 绪论内容提要一、基本概念1.控制：由人或用控制装置使受控对象按照一定目的来动作所进行的操作。
2.输入信号：人为给定的，又称给定量。
3.输出信号：就是被控制量。
它表征对象或过程的状态和性能。
4.反馈信号：从输出端或中间环节引出来并直接或经过变换以后传输到输入端比较元件中去的信号，或者是从输出端引出来并直接或经过变换以后传输到中间环节比较元件中去的信号。
5.偏差信号：比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号之差。
6.误差信号：输出信号的期望值与实际值之差。
7.扰动信号：来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有预定性能和预定输出的信号。
二、控制的基本方式1.开环控制：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的系统，称为开环控制系统。
2.闭环控制：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统。
三、反馈控制系统的基本组成1.给定元件：用于给出输入信号的环节，以确定被控对象的目标值（或称给定值）。
2.测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。
3.比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。
4.放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。
5.执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。
6.校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件，其参数可灵活调整，以改善系统的性能。
四、控制系统的分类（一）按给定信号的特征分类1. 恒值控制系统2. 随动控制系统3. 程序控制系统（二）按系统的数学描述分类1. 线性系统2. 非线性系统（三）按系统传递信号的性质分类1. 连续系统2. 离散系统（四）按系统的输入与输出信号的数量分类1. 单输入单输出系统2. 多输入多输出系统（五）按微分方程的性质分类1. 集中参数系统2. 分布参数系统五、对控制系统的性能要求1. 稳定性：指系统重新恢复稳态的能力。
控制工程基础试题
控制工程基础试题一、选择题（每题5分，共10题）1. 控制工程是一门综合学科，它主要涉及以下哪些方面？A. 电气工程B. 自动控制C. 机械工程D. 网络技术2. PID是常用的控制器类型，它的英文全称是什么？A. Proportional Integral DerivativeB. Proportional Integral DividerC. Programmable Interface DeviceD. Positive Internal Defrosting3. 在控制系统中，传感器的作用是什么？A. 采集和测量被控对象的信息B. 控制执行器的运动C. 实现控制算法 D. 传输控制信号4. 反馈控制系统中，输出信号与输入信号的差值称为什么？A. 偏差B. 误差C. 目标值D. 反馈值5. 控制系统的稳定性是指系统的哪个性能指标？A. 响应速度B. 系统误差C. 振荡幅度D. 不产生振荡6. 控制系统的传递函数为G(s) = 1/(s+1)，那么该系统的阶数是多少？A. 0B. 1C. 2D. 37. 控制系统的超调量是指哪个指标？A. 响应速度B. 系统误差C. 振荡幅度D. 静态误差8. 对于阻尼系统，哪种控制方式能够减小超调量并提高系统的稳定性？A. 死区控制B. 比例控制C. 积分控制D. 导数控制9. 在控制系统中常用的调节器有哪几种类型？A. 电压调节器、电流调节器、功率调节器B. 比例调节器、积分调节器、微分调节器C. 位置调节器、速度调节器、加速度调节器D. P 控制器、I控制器、D控制器10. 在计算机控制系统中，AD转换器的作用是什么？A. 将模拟信号转换为数字信号B. 进行信号处理和滤波C. 控制执行器的运动D. 实现控制算法的运算二、填空题（每题5分，共5题）1. 控制系统的传递函数一般用___表示。
2. 反馈控制系统的基本结构包括___、___和___。
3. 控制系统的根轨迹是研究系统___的重要方法。
控制工程基础笔记
控制工程基础第一章一、自动控制：无人参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制口），使机器、设备或装置（控制装置或控制口），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。
二、自动控制系统：将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体。
开环控制系统：结构简单，便宜；无反馈；稳定性强；抗干扰能力弱。
闭环控制系统：结构复杂，昂贵；有反馈；稳定性差；抗干扰能力强。
自动控制的三种控制方式：1、开环控制：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，系统中无反馈。
2、闭环控制：系统中有反馈。
3、复合控制：按偏差控制和扰动控制相结合的控制方式。
反馈控制系统的基本组成：给定元件、测量元件、比较元件、放大元件、执行元件、校正元件。
输入信号：r(t) 输出信号：c(t) 偏差信号：e(t)误差信号：ε(t) 扰动信号：n(t)前向通道：信号从输入端沿箭头方向到达输入端的传输通道主通道：前向通道可以由多个，其中有一个是主通道。
主反馈：从输出端到输入端的反馈。
反馈通道：与前向通道信号传递方向相反的通道。
局部反馈：从中间环节到输入端或从输出端到中间环节的反馈。
恒指控制系统一、按给定信号的特征分类随动控制系统程序控制系统二、按系统的数学描述分类：1》线性系统：当系统各元件输入、输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分方程描述。
2》线性定常系统：若描述系统的微分方程系数是不随时间而变化的常数。
3》线性时变系统：若微分方程的系数为时间的函数。
4》非线性系统：系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述。
按系统传递信号的性质分类：1，连续系统2，离散系统按系统输入与输出信号的数量分类：a.单输入单输出系统b.多输入多输出系统按微分方程的性质分类：a,集中参数系统b，分布参数系统对控制系统的性能要求：1-稳定性（首要条件）2-快速性3-准确性第三章传递函数定义：单输入单输出线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉式变换与其输入量的拉氏变换之比。
控制工程基础课程提纲
控制工程基础课程提纲一、课程简介控制工程基础课程是控制工程专业的一门基础课程，旨在培养学生对控制工程的基本理论和方法的了解和掌握。
本课程将介绍控制系统的基本概念、数学建模与分析方法、常见的控制器设计方法以及控制系统的性能评价和优化等内容。
通过本课程的学习，学生将具备分析和设计简单控制系统的能力。
二、教学目标1.掌握控制系统的基本概念和基本原理；2.掌握控制系统的数学建模方法；3.掌握常见的控制器设计方法，并能应用于简单控制系统的设计；4.能够评价和优化控制系统的性能。
三、教学内容和安排第一讲：控制系统基本概念1.控制系统的定义和基本组成；2.开环控制和闭环控制的特点和区别；3.离散控制系统和连续控制系统的特点和应用。
第二讲：控制系统的数学建模1.数学建模的基本概念和方法；2.传递函数模型和状态空间模型的建立；3.控制系统的分析和仿真。
第三讲：控制系统的稳定性分析1.稳定性的概念和判据；2.极点位置对系统稳定性的影响；3.稳定性判据的应用和稳定性分析的方法。
第四讲：反馈控制器的设计1.PD控制器和PID控制器的设计原理和方法；2.控制系统的稳定裕度和性能指标；3.调试和优化控制系统。
第五讲：频域分析1.频率响应和频域特性；2.Bode图和Nyquist图的绘制和分析；3.频域分析在控制系统设计中的应用。
第六讲：根轨迹法1.极点和根轨迹的概念；2.根轨迹的绘制和分析；3.根轨迹法在控制系统设计中的应用。
第七讲：控制系统的性能指标1.响应时间、稳态误差和超调量的定义；2.性能指标的计算和评价方法；3.性能指标与控制系统设计的关系。
第八讲：控制系统的优化1.控制系统的优化目标和方法；2.最优控制器的设计；3.控制系统的参数整定方法。
四、教学方法和学习要求1.以理论讲解为主，结合案例分析和实例演示；2.总结归纳理论知识，提供练习题让学生巩固；3.鼓励学生主动学习，参与小组讨论和实验操作；4.提倡理论与实践相结合，培养学生解决实际问题的能力。
控制工程基础简答题
（1)何谓控制系统,开环系统与闭环系统有哪些区别？控制系统是指系统的输出能按照要求的参考输入或控制输入进行调节的。
开环系统构造简单、不存在不稳定问题、输出量不用测量；闭环系统有反馈、控制精度高、结构复杂、设计时需要校核稳定性。
（2）什么叫相位欲量？什么叫幅值裕量？相位裕量是指在乃奎斯特图上，从原点到乃奎斯特图与单位圆的交点连一直线,该直线与负实轴的夹角。
幅值裕量是指在乃奎斯特图上,乃奎斯特图与负实轴交点处幅值的倒数。
(3）试写出PID控制器的传递函数？kp+kD+KI/s（4)什么叫校正（或补偿）?所谓校正，就是指在系统中增加新的环节或改变某些参数，以改善系统性能的方法。
（5）请简述顺馈校正的特点?顺馈校正的特点是在干扰引起误差之前就对它进行近视补偿，以便及时消除干扰的影响.（6）传递函数的主要特点有哪些？传递函数反映系统本身的动态特性,只与本身参数结构有关，与外界输入无关对于物理可实现系统，传递函数分母中s的阶数必不少于分子中s的阶数，传递函数不说明系统的物理结构，不同的物理结构系统,只要他们的动态特性相同,其传递函数相同（7)机械控制工程主要研究并解决的问题是什么？当系统已定,并且输入知道时,求出系统的输出，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析当系统已定，且系统的输出也已给出，要确定系统的输入应使输出尽可能符合给定的最佳要求，即系统的最优控制当输入已知,且输出也已给定时，确定系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求,即最优设计当系统的输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型,即系统的识别当系统已定，输出已知时，以识别输入或输入中的有关信息，即滤液与预测(8)在系统校正中，常用的性能指标有哪些?时域性能指标,包括瞬态响应指标（即上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间)和稳态性能指标(即稳态误差）频域性能指标，包括相位裕量、幅值裕量、截止频率、带宽（9）求拉氏变换的方法有哪些？1.查表法2.有理函数法3.部分分式法(10）简述二阶欠阻尼系数ζ，Wn与性能指标MP（超调量)、Ts（调整时间）的关系二阶欠阻尼系统若ζ不变,增大(或减小）Wn ，则超调量MP 不变，调整时间Ts 减小（或增大）;若Wn 不变，增大(或减小）ζ,则超调量MP 减小（或增大），调整时间Ts 减小（或增大）（11)简述串联超调校正环节的作用？作用:串联超前校正环节增大了相位裕量,加大了带宽，这就意味着提高了系统的相对稳定性，加快了系统的响应速度，使过渡过程得到了显著改善。
控制工程基础课后习题答案
详细描述
通过调整系统的传递函数，可以改变系统的 频率响应特性。在设计控制系统时，我们需 要根据实际需求，调整传递函数，使得系统 的频率响应满足要求。例如，如果需要提高 系统的动态性能，可以减小传递函数在高频 段的增益。
06 第五章 控制系统的稳定性 分析
习题答案5-
习题答案
• 习题1答案：该题考查了控制系统的基本概念和组成。控制系统的基本组成包 括被控对象、传感器、控制器和执行器等部分。被控对象是实际需要控制的物 理系统或设备；传感器用于检测被控对象的输出状态，并将检测到的信号转换 为可处理的电信号；控制器根据输入的指令信号和传感器的输出信号，按照一 定的控制规律进行运算处理，并输出控制信号给执行器；执行器根据控制信号 对被控对象进行控制操作，使其达到预定的状态或性能要求。
控制工程基础课后习题答案
目 录
• 引言 • 第一章 控制系统概述 • 第二章 控制系统的数学模型 • 第三章 控制系统的时域分析 • 第四章 控制系统的频域分析 • 第五章 控制系统的稳定性分析 • 第六章 控制系统的校正与设计
01 引言
课程简介
01
控制工程基础是自动化和电气工 程学科中的一门重要课程，主要 涉及控制系统的基本原理、分析 和设计方法。
总结词
控制系统校正的概念
详细描述
控制系统校正是指在系统原有基础上，通过加入适当的 装置或元件，改变系统的传递函数或动态特性，以满足 性能指标的要求。常见的校正方法有串联校正、并联校 正和反馈校正等。校正装置通常安装在系统的某一环节 ，以减小对系统其他部分的影响。
习题答案6-
总结词
控制系统设计的一般步骤
习题答案5-
总结词
控制工程基础教学大纲
控制工程基础教学大纲一、课程简介控制工程基础是控制科学与技术领域的一门基础课程，也是控制工程专业的基础课程之一。
本课程介绍了控制理论的基本概念、方法和技术，为学生深入掌握控制工程专业知识，奠定了坚实的基础。
课程内容包括控制理论的基本概念与原理、传递函数与时域分析、稳态误差分析、根轨迹与稳定性分析、频率响应与稳定性分析、控制系统的设计和实现等方面。
在学习过程中，学生将通过理论知识和实际案例的结合，系统学习控制工程的基础知识和实践技能。
二、教学目标1.了解控制工程理论的基本概念、方法和技术，掌握相关的数学知识和基础技能；2.理解控制系统的基本结构和工作原理，掌握传递函数、稳态误差、时域响应等概念及其分析方法；3.掌握根轨迹、频域响应与稳定性分析的基本概念和分析方法；4.理解控制系统的设计思想和方法，了解常见的控制器和控制策略；5.通过掌握理论知识和实践技能，可以应用控制工程的基础知识对实际问题进行分析、设计和实现。
三、教学内容1. 控制系统的基本概念1.控制理论概述；2.控制系统的基本结构和功能；3.闭环控制和开环控制；4.控制系统的性能指标和评价方法。
2. 传递函数与时域分析1.传递函数的概念和性质；2.时域分析方法及其应用；3.一、二阶系统的时域响应分析。
3. 稳态误差分析1.稳态误差和静态误差常数；2.稳态误差分析方法；3.闭环控制系统的稳态误差分析。
4. 根轨迹与稳定性分析1.根轨迹的概念和性质；2.根轨迹的绘制方法；3.根轨迹的应用；4.稳定性的概念和判据。
5. 频率响应与稳定性分析1.频率响应的概念和性质；2.频率响应分析方法；3.稳态和稳定性的频率响应分析；4.Bode图的绘制方法和应用。
6. 控制系统的设计和实现1.单闭环控制和双闭环控制的设计和应用；2.PID控制器和常见的现代控制器；3.控制系统性能分析和优化；4.控制系统的实现和应用。
四、教学方法本课程采用理论讲授、案例分析和实例演示相结合的教学方法。
控制工程基础和自动控制原理
控制工程基础和自动控制原理控制工程基础是指对控制系统的基本理论、模型和方法进行学习和了解的一门学科。
它主要包括以下内容：1. 控制系统的基本概念：包括系统、输入、输出、控制、反馈等基本概念的理解和掌握。
2. 数学建模和系统分析：学习如何将实际的控制系统建立数学模型，并对其进行分析和评估。
3. 信号与系统：学习信号的表示、变换、采样和重构等基本理论，以及对系统的性质和响应进行分析。
4. 控制系统的稳定性：学习如何通过数学分析或图形法分析控制系统的稳定性，并设计稳定性良好的控制系统。
5. 时域和频域分析方法：学习如何利用时域和频域分析方法对控制系统进行分析和设计。
6. 控制系统的性能评价：学习如何通过指标和性能评估方法对控制系统的性能进行定量化。
7. 控制器的设计与实现：学习控制器的设计原理和方法，以及控制器实现的技术和方法。
自动控制原理是控制工程基础的核心内容，主要包括以下内容：1. 自动控制系统的基本概念和结构：学习自动控制系统的基本概念和结构，包括开环控制和闭环控制。
2. 自动控制系统的数学模型：学习如何利用微分方程、差分方程等数学工具建立自动控制系统的数学模型。
3. 控制系统的稳定性分析和设计：学习如何通过稳定性分析方法来评估和设计控制系统的稳定性。
4. 控制系统的性能指标和性能评价：学习如何定义和评价控制系统的性能指标，如稳态误差、超调量、响应速度等。
5. 控制器的设计和调节：学习如何根据控制系统的数学模型设计合适的控制器，并进行控制器的调节和优化。
6. 经典控制方法：学习经典控制方法，如比例-积分-微分（PID）控制、根轨迹设计等。
7. 现代控制方法：学习现代控制方法，如状态空间方法、最优控制方法、自适应控制方法等。
8. 控制系统的实现和应用：学习如何将控制系统的设计实现到实际应用中，并了解一些典型的控制系统应用案例。
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4.闭环控制与开环控制
• 反馈控制系统
• 开环控制系统
• 闭环与开环控制系统的比较
2015-1-12
控制工程基础讲义
反馈控制系统
• 反馈
把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称 为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，则称为负反馈；反之，则称为正反 馈。
• 反馈控制系统
局部反馈
反馈 补偿元件
主反馈
测量元件
图1－4反馈控制系统基本组成
2015-1-12
控制工程基础讲义
第二章 控制系统的数学模型
2015-1-12
控制工程基础讲义
本章主要内容
1. 时域数学模型——微分方程 的建立与求解（掌握） 2. 频域数学模型——传递函数（掌握）
3. 控制系统的结构图-等效变换 （掌握）
值的大小对系统稳态误差的影响。 误差的计算式，并指出
[提示： r ( s) a / s 2 ] 2、写出闭环系统的特征方程、求出闭环系统动态性能
t s ）的计算式，并指出 指标超调量（ 0 0 ）和过度时间（ 值 t s 的影响。 的大小对指标 0 0 和
r(t)
+ -
e(t)
K1
+ -
本章主要内容
1. 稳定性
2. Routh-Hurwitz判据 3. 参数对稳定性的影响 4. 静态误差分析 5. 动态性能指标 6. 动态性能分析
2015-1-12
控制工程基础讲义
稳定性
• 稳定性的概念（理解）
• 线性系统稳定的充要条件（掌握）
• 劳斯代数稳定性判据（掌握）
—劳斯阵（各种特殊情况下劳斯阵的排列和判稳方法） • 劳斯-胡尔维茨稳定性判据的应用（掌握）
入积分环节1 s ，对由扰动引起的稳态误差有何影 响？在扰动作用点之后的前向通道中引入积分
2015-1-12
环节1 s ，对由扰动引起的稳态误差又有何影响？ 控制工程基础讲义
2015-1-12
控制工程基础讲义
2015-1-12
控制工程基础讲义
历年试题3续
已知某单位反馈控制系统的开环传递函数为
Ka G开 ( s ) s ( s 2 20 s 100 )
0 稳定条件 0 K a 2000
控制工程基础讲义
2015-1-12
历年试题3续
已知某二阶反馈控制系统的结构框图如下图所示。其中 参数 K1 0 , K 2. 0 , 0 。 1、求出斜坡函数r (t ) at ( 0, t 0 )作用下，闭环系统稳态
反馈校正。
2015-1-12
控制工程基础讲义
控制系统的结构图如下：
历年试题3
N (s)
R( s)
E (s)
K 0.05s 1
1 s5
C (s)
n(t ) 的 Laplace 变换。 扰动输入 n(t ) 2 1(t ) ,N ( s) 表示
（1） （2） （3）
试求出使闭环系统稳定的 K 的取值范围； 试求 K=20 时系统在扰动下的稳态误差； 设 K=20, 在扰动作用点之前的前向通道中引
• 信号流图的组成；术语； （掌握）
• 信号流图的绘制和等效变换； （掌握）
• 梅逊公式及其应用（掌握）
• 信号流图和结构图之间的关系 （掌握）
2015-1-12
控制工程基础讲义
历年试题2
【题】在下列 RLC电路图中，输入量是电压 u(t) ，输出量是 电容C上的电压uc(t)。 • 1、 试根据电路的基本原理，建立描述电路输入量与输出 量间运动关系的微分方程。 2、利用Laplace变换，求出该电路系统的传递函数模型。
试列写出系统的闭环特征方程式（1 G 和 的取值范围。
开
(s) 0
）,并
Ka 采用 Routh 稳定判据，确定使闭环系统稳定的参数
2015-1-12
控制工程基础讲义
闭环特征方程式: D( s) s 3 20s 2 100 s K a =0 列劳斯表:
s3 s2 s1 s0 1 20 2000 K a 20 Ka 100 Ka 0 0 2000 K a Ka 0
能对输入量与被反馈量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持 两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈 信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。
• 闭环控制
凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信 号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或 导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差， 并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义， 就是应用反馈作用来减小系统的误差。
K s
2
1 s
c(t)
2015-1-12
控制工程基础讲义
r(t)
+ -
e(t)
K1
+ -
K s
2
1 s
c(t)
2015-1-12
控制工程基础讲义
（1） 闭环系统稳态误差的计算式：
ess
a a ，所以 ess K K1
2
2、闭环系统的特征方程： D ( s ) s K 2 s K 1 K 2 0
反馈控制系统的方框图
系统方框图
为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系，画出 的控制系统元件作用图称为系统方框图。共有四种图例： （1）装置用方框表示 （2）信号用带箭号的线段表示 （3）信号引出点 （4）信号相加点（比较点）
为改善系统性能 输出量 输入量 串联 补偿元件 放大元件 执行元件 被控对象
• 智能控制技术
90年代开始发展 专家系统 、 模糊控制、神经网络
• 正在发展的各个领域
自适应控制、 大系统理论、 H∞鲁棒控制、 非线性控制 （微分几何，混沌，变结构）
2015-1-12
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2. 术语
• • • • • • • • • •
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自动控制 对象 过程 系统 扰动 反馈控制 反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统
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2015-1-12
闭环与开环控制系统的比较
• 闭环控制系统的特点
偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复 杂，设计、分析麻烦。
• 开环控制系统的特点
顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简 单、调整方便、成本低。
2015-1-12
控制工程基础讲义
L
i(t)
输入
输出
u(t)
C R
uc(t)
2015-1-12
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• 答案
（1） 电路输入量与输出量间运动关系的微分方程：
d 2uc du c du LCR L Ru L Ru c 2 dt dt dt
（2） 电路系统的输入输出传递函数模型：
G (s)
u c (s) Ls R u ( s ) LCRs 2 sL R
n K1 K 2 K 2 2 K1 K 2 2
1 2 0 0 e K 2 ，可见， 3.5 7 t s K1 n K 2
4. 控制系统的研究内容（掌握）
2015-1-12
控制工程基础讲义
1.自动控制发展历史
控制理论的发展:
• 经典控制理论
五十年代末形成完整的体系，以传递函数为基础研究单输入、输出系统（SISO）的反馈 控制系统。采用的方法主要有：时域分析法、根轨迹法和频率法。
• 现代控制理论
以状态空间法为基础研究多输出输入(MIMO)系统，变参数、非线性、高精度等系统。采 用的方法主要有：状态空间分析法 。
控制工程基础讲义
• 答案：
2015-1-12
控制工程基础讲义
历年试题2续
• 线性动态系统传递函数的基本定义？
• 系统在零初值条件下，输出量的Laplace变换象函 数与输入量的Laplace变换象函数之比
2015-1-12
控制工程基础讲义
第三章 线性控制系统的运动
2015-1-12
控制工程基础讲义
2015-1-12
控制工程基础讲义
历年试题2续
求下图所示的系统的闭环传递函数，即C(s)/R(s)
H1 ( s )
R( s)
Hale Waihona Puke G1 ( s)
G2 ( s)
G3 ( s)
C (s)
H 2 ( s)
2015-1-12
控制工程基础讲义
答：
2015-1-12
控制工程基础讲义
2015-1-12
4. 控制系统的信号流图与梅逊公式 （掌握） 5. 脉冲响应（了解）
2015-1-12
控制工程基础讲义
微分方程 的建立与求解
• 系统微分方程的列写；（掌握）
• 线性方程的求解（用拉氏变换法）；（了解）
2015-1-12
控制工程基础讲义
传递函数
• 传递函数的基本概念；（掌握） • 传递函数的列写（由微分方程和系统原理图出 发）；（掌握）
自动控制原理复习大纲
赵小梅 Email: zhaoxiaomei@ 第8教学楼613室
2015-1-12
控制工程基础讲义
第一章 自动控制系统的一般概念
2015-1-12
控制工程基础讲义